Levitació magnètica: què és i com és possible

La paraula "levitation" prové de l'anglès "levitate": ascendir, pujar a l'aire. És a dir, la levitació és la superació de l’objecte de gravetat quan s’enrotlla i no toca el suport, sense repel·lir-se de l’aire, sense utilitzar propulsió a raig. Des del punt de vista de la física, la levitació és una posició estable d’un objecte en un camp gravitatori, quan la gravetat es compensa i hi ha una força restauradora que proporciona a l’objecte l’estabilitat a l’espai.

En particular, la levitació magnètica és la tecnologia d’elevació d’un objecte mitjançant un camp magnètic, quan l’acció magnètica sobre un objecte s’utilitza per compensar l’acceleració de la gravetat o qualsevol altra acceleració. Es tracta de la levitació magnètica que es tractarà en aquest article.

La retenció magnètica d'un objecte en estat d'equilibri estable es pot realitzar de diverses maneres. Cadascun dels mètodes té les seves peculiaritats, i es poden fer reclamacions a cadascun, com ara "això no és una levitació real!", I així serà. La veritable levitació en la seva forma pura és inabastable.

Així doncs, el teorema d'Earnshaw demostra que, utilitzant només ferromagnets, és impossible sostenir de forma estable un objecte en un camp gravitatori. Però malgrat això, amb l’ajut de mecanismes servo, diamagnètics, superconductors i sistemes de corrent de remolins, és possible aconseguir una semblança de levitació quan algun mecanisme ajuda a l’objecte a mantenir l’equilibri quan s’eleva per sobre del suport per força magnètica. Tanmateix, les primeres coses primer.

Levitació electromagnètica amb sistema de seguiment

Aplicant un circuit basat en un electroimant i una reproducció fotogràfica, podeu forçar la levitació d’objectes metàl·lics petits. L'element flotarà en l'aire a una certa distància de l'electromagnet fixat al cremallera. L’electroimant rep energia fins que la fotocèl·lula muntada al cremallera s’enfosqueix per un objecte ascendent, fins que se n’obté prou llum des d’una font de control fixa, cosa que significa que s’ha de tirar l’objecte.

Quan l’objecte està suficientment elevat, l’electroimant s’apaga, ja que en aquest moment l’ombra de l’objecte mogut a l’espai cau sobre la fotocèl·lula, bloquejant la llum de la font. L'objecte comença a caure, però no té temps de caure, ja que es torna a encendre l'electroimant. Així doncs, ajustant la sensibilitat del relé fotogràfic, podeu aconseguir un efecte en què l'objecte d'alguna manera penjarà en un lloc a l'aire.

De fet, l’objecte està en constant caiguda, de nou lleugerament elevat per l’electromagnètica. Resulta la il·lusió de levitació. Aquest principi es basa en el treball de “levitar globus”, més aviat inusuals records, on hi ha una placa magnètica al planeta, amb la qual interactua un electroimant, amagat en un estand.

Levitació diamagnètica

El plom de grafit d’un simple llapis és un diamagnet, és a dir, una substància que es magnetitza contra un camp magnètic extern. En certes condicions, el camp magnètic es desvia completament del material del diamagnet, per exemple, el plom del grafit té una elevada susceptibilitat magnètica i comença a pujar per sobre dels imants de neodimi fins i tot a temperatura ambient.

Per a l'estabilitat de l'efecte, els imants haurien de ser esglaonats (pols magnètics), llavors la barra de grafit no es desprengui de la "trampa magnètica" i es leviti.

Un imant de terra rara amb una inducció de només 1 T pot penjar entre plaques de bismut i, en un camp magnètic amb inducció d’11 T, es pot estabilitzar la “levitació” d’un petit imant de neodimi entre els dits, ja que les mans humanes són un diamagnet, com l’aigua.

Es coneix una experiència força estesa amb una granota levitativa. L'animal es col·loca acuradament sobre un imant, la qual cosa crea una inducció magnètica de més de 16 T, i la granota, que demostra propietats diamagnètiques, es congela en l'aire a poca distància del imant.

Levitació imant sobre un superconductor (efecte Meissner)

La placa d'òxid de coure-bari i biti es refrigera fins a la temperatura del nitrogen líquid. En aquestes condicions, la placa es converteix en un superconductor. Si ara poseu un imant de neodimi en un suport per sobre de la placa i, després, traieu el suport de sota l’imant, l’imant es penjarà a l’aire, ja que es levitarà.

Fins i tot una petita inducció magnètica de l’ordre d’1 mT és suficient perquè l’imant, quan es col·loca a la placa, pugi uns mil·límetres per sobre del superconductor refrigerat d’alta temperatura. Com més alta sigui la inducció de l’imant, més elevarà.

El fet és que una de les propietats d’un superconductor és l’expulsió del camp magnètic de la fase superconductora, i l’imant, que es repel·leix des d’aquest camp magnètic de la direcció contrària, flota cap amunt i continua pujant per sobre del superconductor refrigerat fins que surti de l’estat superconductor.

Levació actual corrent

Els corrents de remolí (corrents de Foucault) induïts per camps magnètics alternats en conductors massius també són capaços de mantenir els objectes en un estat de levitació. Per exemple, una bobina de corrent altern pot levitar sobre un anell tancat d'alumini i un disc d'alumini passarà per sobre d'una bobina de corrent altern.

L’explicació aquí és la següent: segons la llei de Lenz, el corrent induït al disc o a l’anell crearà un camp magnètic que la seva direcció dificultarà la causa d’aquest, és a dir, en cada període d’oscil·lacions de corrent altern a l’inductor, un camp magnètic de sentit contrari serà induït en el conductor massiu. . Així doncs, un conductor o una bobina massiva d’una forma adequada pot levitar tot el temps mentre el corrent altern està en marxa.

Un mecanisme de retenció similar es produeix quan imant de neodimi cau dins d’una canonada de coure: el camp magnètic dels corrents de remolí induïts es dirigeix ​​oposat al camp magnètic de l’imant.